压水堆核电站空冷汽轮机研究范文

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《汽轮机技术杂志》2015年第五期

摘要:

针对国内某核电厂址的初步气象条件，进行了百万等级核电机组空冷汽轮机选型计算分析。分析结果表明，该厂址参数下若选用半转速核电汽轮机，目前已有的末级叶片不能满足要求，需要开发全新的空冷末级叶片;而利用大型火电空冷汽轮机已有运行业绩的末级叶片，开发全转速百万级核电空冷汽轮机，将花费较少的时间和经费，是比较适宜的方案。某厂址气象条件在我国北方具有代表性，上述工作为我国北方缺水地区核电站汽轮机选型提供了参考。建议国内汽轮机厂利用已有核电、火电汽轮机技术积累，尽快启动全转速百万级核电空冷汽轮机研发工作，形成具有完全自主知识产权的百万级核电空冷汽轮机技术，抢占技术制高点。

关键词:

百万级;压水堆;核电站;空冷;汽轮机

截至2014年底，我国核电装机容量1988万千瓦，占总装机量的1．46%。我国各沿海省份均有核电站在运、在建或者正在进行前期选址工作，随着我国经济、社会和环保事业的发展，核电将在我国未来的电力发展中扮演更加重要的角色，但是沿海适宜的核电厂址越来越少，向近海或者内陆省份发展核电成为必然选项。据初步统计，美国在役核电机组有74%设在内陆地区，法国内陆核电厂站总数的69．5%，而加拿大现役核电机组中内陆地区核电机组高达95%［1］。而我国北方大部分省份为缺水甚至严重缺水地区，南水北调问题只能解决部分城市的生活用水问题，未来很长一段时期内，我国北方大部分城市仍将面临工业用水严重缺乏的现状，这在一定程度上制约了核电的发展。据了解，国外曾经有过两座采用空冷系统的核电站，其中一座是位于俄罗斯境内的4×12MWBilibino核电站，采用表面式凝汽器间接空冷系统，配备机力通风冷却塔，该核电站1972年投产运行至今;另一座是德国境内的Schmehausen核电站，其空冷系统总规模相当于1座300MW容量的火电机组，采用配备自然通风冷却塔的表面式凝汽器间接空冷系统［2］。而目前世界范围内尚无采用空冷系统的百万级压水堆核电站投运。本文将以我国某近海省份厂址条件为例，针对拟选堆型，进行百万级压水堆核电空冷汽轮机选型研究工作，以期为后续其他拟在缺水地区建设的核电站提供参考。

1厂址气象参数和主蒸汽、冷端参数

根据本厂址处的初步气象资料，选取典型年并按照5℃加权平均气温法，考虑适当裕度后计算出对应的设计气温为14．6℃。鉴于表凝式间接空冷系统具有受环境大风、高温影响时背压变化缓慢的特点，不会对反应堆造成热冲击等不良影响［2］，本文汽轮机低压缸排汽采用表凝式间接空冷系统进行冷却。间接空冷系统初始温差(InitialTemperatureDifference，ITD)是汽轮机排汽温度与大气环境温度的差值，ITD值反映了间冷系统的散热能力和冷却系统的规模，一般通过冷端系统优化，综合对冷却系统投资和汽轮机组出力、运行费用等进行比较后确定［3］。由于本项目尚处于前期阶段，尚不具备进行冷端优化的条件，根据工程经验暂取ITD为34℃，初步确定汽轮机背压为11．5kPa。根据拟选堆型资料，主汽门前的主蒸汽量为6125t/h，压力6．5MPa，湿度0．5%。

2汽轮机排汽面积估算

压水堆核电汽轮机的初步统计资料显示，湿冷核电汽轮机的排汽比一般为0．51～0．53［4］，由于空冷核电汽轮机背压较高，抽汽量相对湿冷机组较小，本文暂取排汽比为0．54，则对应11．5kPa下的排汽量为3307．5t/h。汽轮机低压缸排汽比容可根据汽轮机排汽背压和排汽湿度确定。统计资料显示，湿冷核电汽轮机低压缸的排汽湿度一般在11%左右;而空冷汽轮机由于排汽背压较高，湿度也相应有所降低，参照火电空冷机组数据，本文暂取定低压缸排汽湿度为9%。通过查水蒸汽表，排汽比容为11．845m3/kg。通常，汽轮机排汽余速范围为190m/s～260m/s，余速损失在19kJ/kg～25kJ/kg。对于承担基本负荷的机组，一般取汽轮机排汽余速220m/s。将上述数据带入公式(1)，可得出初步的排汽面积为49．5m2。通过向国内三大汽轮机厂进行调研，对初步的热平衡图数据进行统计，证明上述数据取值正确。

3末级叶片选择及高压缸、低压缸配置

3．1半转速汽轮机对于900MW～1800MW功率半转速核电汽轮机，目前国内核电项目各汽轮机制造商生产的末级叶片名义排汽面积主要有3种，详见表1。根据上述排汽面积初步计算结果，若采用25m级的末级叶片，则只需要一个双流低压缸，即可满足排汽面积的需要。但是，这将带来以下两个问题:一方面，上述25m2级的末级叶片均为针对湿冷核电汽轮机研发，适应较低的背压范围，机组正常运行背压一般在3kPa～8kPa范围内变动;而采用表凝式间接空冷系统的空冷机组背压一般在5kPa～30kPa范围内变动，且机组运行背压的冬夏季变化幅度和昼夜变化幅度均大于湿冷汽轮机，这就要求叶片要承受较大的交变应力［5］，末级叶片要选用高强度、能承受较大交变应力的材料，上述湿冷核电汽轮机末级叶片不能直接应用在空冷核电汽轮机上。另一方面，百万级核电汽轮机的凝汽器热负荷较大，一般需要凝汽器的换热面积在810×104m2～10×104m2，若采用一个双流高压缸(或高中压合缸)和一个双流低压缸的型式，受凝汽器管板尺寸的限制，凝汽器面积不能满足要求。基于以上原因，若采用半转速汽轮机组，就需要针对排汽量研发新的空冷末级叶片，配置2个或2个以上的双流低压缸，在满足排汽面积需要的同时满足凝汽器换热面积的需要，也就是新研发的核电空冷汽轮机末级叶片对应的排汽面积应为4×12．5m2或者6×8．25m2。经初步调研，新研发一只末级叶片大约需要1．5年～2年的时间，并且将付出较高的经济费用。

3．2全转速汽轮机目前国内大型火力发电厂已经有很多空冷机组在运行，表2给出了国内三大汽轮机厂正在建设或已经投运的采用全转速空冷末级叶片汽轮机及排汽面积统计表。其中，已经投运的宁夏灵武电厂二期工程，采用东方汽轮机厂762mm空冷末级叶片，对应的排汽面积为4×6．38m2，而东方汽轮机厂1030mm空冷末级叶片对应的排汽面积为9．5m2，采用该末级叶片的660MW两缸两排汽空冷汽轮机组已经在建设中。上海汽轮机厂1050mm空冷末级叶片对应的排汽面积为9．2m2，某火电机组已经确定采用配置该末级叶片的四缸六排汽空冷汽轮机;配置910mm空冷末级叶片的660MW空冷汽轮机，已于2009年在山西兆光电厂投运。哈尔滨汽轮机厂940mm空冷末级叶片对应的排汽面积为8．32m2，在建的4台百万级火电机组已经采用配置该末级叶片的三缸四排汽空冷汽轮机。以上情况表明，我国大型全转速火电空冷汽轮机技术已经发展成熟，初步估算国内汽轮机厂已有空冷末级长叶片能够满足本文所需排汽面积的需要。表3中给出了利用上述国内汽轮机厂已有空冷末级长叶片对本文所需排汽面积进行校核的数据对比。从该表中可以看出，3个汽机厂有运行业绩的火电空冷汽轮机末级叶片排汽余速均在较为经济的190m/s～260m/s范围之内，有2个末级叶片对应的余速损失超出了19kJ/kg～25kJ/kg范围，但是数据相差不多，表明百万级核电空冷汽轮机采用全转速汽轮机可行的，并不需要重新研发全新的末级叶片。

但是，由于百万级核电的主蒸汽量远大于百万级火电的主蒸汽量，主蒸汽压力和温度却远低于百万级火电，百万级核电全转速空冷汽轮机的高压缸需要进行重新设计。初步对比表明，核电主蒸汽参数与百万级超临界火电空冷机组的中压缸进汽压力和温度相近，但是核电的流量约为火电的2倍，且核电高压缸排汽湿度大(约为12%)，可以考虑利用百万级超临界火电空冷机组的中压缸模块作为核电百万级全转速空冷汽轮机的高压缸模块，对通流部分进行重新设计，增加疏水措施;由于火电一般配置1个或2个双流低压缸，而百万级核电空冷汽轮机若采用全转速汽轮机，则需要3个双流低压缸，应对汽轮机的轴系稳定性进行重新核算，同时增加末级叶片抗水蚀能力和疏水措施，确保机组安全性。经过初步调研，重新设计高压缸及通流、轴系稳定性核算、增加末级叶片抗水蚀能力和疏水措施等工作大约需要半年～1年的时间。

4结论及建议

通过初步计算、分析，百万级核电空冷汽轮机存在全转速和半转速汽轮机两种方案，两种方案均具备技术可行性。若采用半转速空冷汽轮机方案，需要配置1个双流高压缸(或高中压合缸)和2个(或3个)双流低压缸，但是需要重新研发半转速空冷汽轮机末级叶片，这将耗费较长时间和费用。若采用全转速空冷汽轮机方案，需要配置1个双流高压缸(或高中压合缸)和3个双流低压缸。国内火电汽轮机拥有较完整的空冷末级叶片系列，现有全转速空冷末级叶片在排汽面积上基本能够满足需要，只是需对汽轮机通流、轴系稳定性进行计算、优化设计，耗时相对较短，成本较低;同时，由于全转速机方案的汽轮机转子、汽缸等尺寸明显小于半转速机，全转速汽轮机的造价低于半转速机。目前国内的核电汽轮机大部分为本土汽轮机制造厂引进国外技术进行生产、制造，形成了半转速汽轮机技术受制于人的局面。国外技转方在材料替代、技术改进及设计标准方面会严格审批，严重制约国内汽轮机厂的研发、设计和创新能力。为了顺应时代潮流，响应建设创新型国家的号召，积极推进核电“走出去”战略，建议国内三大汽轮机厂利用已有核电、火电汽轮机引进技术消化吸收成果，尽快启动全转速百万级核电空冷汽轮机研发项目，形成具有完全自主知识产权的百万级核电空冷汽轮机技术，抢占技术制高点。致谢:感谢上海电气电站设备有限公司汽轮机厂、东方汽轮机有限公司和哈尔滨汽轮机厂有限公司提供的资料。

参考文献

［1］陈子斌．国外内陆核电厂情况整理与分析［J］．能源研究与管理，2013，(1):13－21．

［2］侯玲，蒋演明．核电厂采用空冷技术的形式选择及适应性分析［J］．汽轮机技术，2009，51(6):417－420．

［3］陈琳，郭彦．火电厂间接空冷机组背压选择分析［J］．给水排水，2013，39(增刊):313－316．

［4］罗必雄，陈娟，朱光宇，等．内陆核电站汽轮机选型及冷端优化［J］．热能动力工程，2011，26(2):158－161．

［5］丁尔谋，主编．发电厂空冷技术［M］．北京:水力电力出版社，1992．

作者：杨建军 孙传军 赵迪 单位：中国核电工程有限公司河北分公司